1．概述

    變頻器不僅能夠節約大量能源，而且可以解決生產(chǎn)工藝上能源的合理可靠應用，近幾年我單位因工藝和節能需要，新上了不少高低壓變頻器，而在我公司水處理中心泵站新上的1臺北京合康公司生產(chǎn)的10kV高壓變頻器，在節約能源和穩壓控制上起到了關(guān)鍵作用，滿(mǎn)足了軋鋼生產(chǎn)對水壓的需求。該項目在設備選型以及電氣設計中可以作為一個(gè)典型的事例。

2．改造對象的描述

    該泵站有兩臺水泵機組（一用一備），共用一個(gè)母管向軋鋼不間斷供高水壓冷卻水。該水泵機組的電機采用高壓10kV、710kW普通電機，兩臺分別接在不同母線(xiàn)段上；兩臺水泵的開(kāi)、停由值班人員根據生產(chǎn)調度的要求進(jìn)行正常的開(kāi)、停泵操作；該水泵機組的母官水壓要求為1.2Mpa，流量1100m3/h左右；但由于用戶(hù)用水情況不穩定，經(jīng)常產(chǎn)生突變，流量變化為100m3/h—1300m3/h，這樣該泵組的水壓變化很大，母管壓力太高時(shí)都可能出現超壓力，值班人員緊急通過(guò)調整出水閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制母管壓力，水泵內部的壓力就更高，這樣造成能源大量浪費，而且這種情況容易造成水泵和母管的損壞，特別是母管上的卸壓閥動(dòng)作頻繁經(jīng)常損壞每年維修費用就在20萬(wàn)元以上。由于用戶(hù)的用水變化的特點(diǎn)無(wú)法改變，因此只有用變頻調速以滿(mǎn)足用戶(hù)供水的要求，同時(shí)使供水設備安全、穩定運行。

    該中心泵站高壓水泵電機變頻改造范圍為1#機和2#機，采用一拖二方式進(jìn)行變頻改造。電機參數如下：

    型    號：Y500-4 額定功率：710kW

    額定電壓：AC10kV 額定電流：49.6A

    額定轉速：1484rpm/min 頻    率：50Hz

    絕緣等級：F 功率因數：0.87

    接    法：Y 冷卻方式：IC01

3．變頻改造方案說(shuō)明

    高壓變頻器應滿(mǎn)足該泵站兩臺電機變頻改造的技術(shù)要求，變頻器采用一拖二帶旁路方案，變頻器可分別帶1#或2#電機，當變頻器出現故障時(shí)，可自動(dòng)切換到另一臺電機工頻旁路運行。高壓變頻器基本要求如下：

    1） 要求直接高壓的高高變頻器；

    2） 要求變頻器整流脈沖數在18脈沖以上（含18脈沖整流）；

    3） 如果帶隔離變壓器要求一定為干式變壓器；變壓器盡量在變頻柜內布置。

4．對于變頻改造的基本要求

    按照改造要求，電機變頻將采用如下控制方式：

    1） 一套變頻器裝置通過(guò)切換可以分別控制兩臺電機，即變頻器可在1＃、2＃電機之間手動(dòng)切換運行。變頻器兩臺出線(xiàn)開(kāi)關(guān)之間、工頻開(kāi)關(guān)之間以及工頻與變頻開(kāi)關(guān)之間具有完善的硬接線(xiàn)閉鎖功能。

    2） 當變頻器出現故障，自動(dòng)切換到工頻旁路運行，保持生產(chǎn)的連續性，同時(shí)切換動(dòng)作報警信號送監控后臺。

    3） 變頻器頻率可在0—50Hz范圍內調節。變頻器單獨設置高精度PI調節功能，4～20mA壓力信號直接來(lái)自現場(chǎng)總管壓力變送器的4～20mA壓力信號，自動(dòng)調節變頻器轉速達到恒壓閉環(huán)控制水管壓力的要求。

    4） 變頻器電源柜、工頻柜、變頻出線(xiàn)柜間的啟動(dòng)停止及閉鎖等邏輯需進(jìn)入現場(chǎng)已有的PLC監控后臺。

    5） 可在變頻器操作鍵盤(pán)上方便地實(shí)現電機的啟停、速度給定及參數調整等。

    6） 在操作室PLC后臺系統中可以對變頻器的壓力、電流、轉速、起/停等進(jìn)行監控。

    7） 變頻器故障、保護動(dòng)作、自動(dòng)切換等需在監控后臺進(jìn)行報警顯示。

    8） 系統零速至全速起動(dòng)時(shí)間不大于10s

    9） 變頻器輸入輸出達到完美無(wú)諧波，諧波分量完全滿(mǎn)足GB/T14549-93國標及IEEE519-1992國際標準的要求。

    10） 功率因素可以達0.95以上，效率可達97％以上（含輸入隔離變壓器）。 

    11） 控制電源：兩路交流電源互為備用+UPS電源，大大提高控制電源可靠性。

    12） 正常電壓波動(dòng)范圍：10.5kV±10%。

5．電氣設計幾點(diǎn)注意事項

1）地刀問(wèn)題

    大多數高壓變頻器均為改造項目，原工頻回路的開(kāi)關(guān)柜均為已有，且原開(kāi)關(guān)柜均已加裝地刀。在變頻器改造中將該地刀取消拆除，否則容易造成誤操作而發(fā)生事故。工頻柜地刀是與本柜斷路器實(shí)現電氣和機械聯(lián)鎖的，與新增加的變頻柜不實(shí)行聯(lián)鎖，在電機處于變頻運行狀態(tài)時(shí)，工頻柜下柜是帶電的，因此地刀必須處于斷開(kāi)位置。特別是在變頻器調試前是非常值得關(guān)注的安全問(wèn)題，最可靠的辦法是將該地刀拆除，以徹底杜絕誤操作事故的發(fā)生。

2）聯(lián)鎖問(wèn)題

    對于高壓變頻器一拖二的方案，整個(gè)變頻系統上的開(kāi)關(guān)柜必須采取聯(lián)鎖保護，采取的聯(lián)鎖措施如下：

    1#機變頻出線(xiàn)柜斷路器3DL和工頻回路斷路器1DL之間的聯(lián)鎖；

    2#機變頻出線(xiàn)柜斷路器4DL和工頻回路斷路器2DL之間的聯(lián)鎖；

    變頻器輸出斷路器3DL和4DL斷路器之間的聯(lián)鎖；

    整個(gè)系統確保只能由一路電源給電機供電，并保證工頻電源不會(huì )倒送至變頻器輸出端造成變頻器功率器件的損壞。為確保斷路器之間的聯(lián)鎖能夠可靠，必須通過(guò)試驗手段來(lái)檢驗。

3）保護設置問(wèn)題

    新訂購的兩臺變頻器出線(xiàn)柜即3DL和4DL柜均加裝了微機保護裝置，該兩臺裝置的保護功能均設置為退出，該保護裝置的主要功能為采集電流和控制斷路器分合閘使用，為何采用退出該保護功能設置，主要從保護變頻器本身著(zhù)想。如果在變頻運轉狀態(tài)該變頻出線(xiàn)開(kāi)關(guān)先于變頻器或變頻電源柜跳閘，由于功率的突然變化，會(huì )導致變頻器因負荷IΔ量的突然變化而造成功率單元損壞。因此只需在變頻器本身及其電源柜設置相應的速斷和反時(shí)限保護即可滿(mǎn)足要求。而工頻柜的保護設置則與此相同。

4）保護設置引伸問(wèn)題：

    當變頻器出現故障時(shí)，在控制回路中設計為變頻器本體輸出一副變頻器故障信號接點(diǎn)到變頻器電源柜5DL的跳閘回路中去，然后通過(guò)5DL常閉接點(diǎn)到變頻器出線(xiàn)柜3DL或4DL的跳閘回路中去，先將5DL再將3DL或4DL跳閘，這時(shí)啟動(dòng)工頻旁路自投回路，將1DL或2DL合上，以保證電機的連續運轉。但當變頻器輸出電纜或所帶電機出現故障時(shí)，變頻器檢測到故障后同樣輸出相同的一副變頻器故障信號接點(diǎn)，這時(shí)變頻器檢測不出是內部故障還是區外故障，以上的動(dòng)作邏輯要照樣執行，最后用工頻回路的保護將故障切除掉。造成的損害就是發(fā)生故障的電氣點(diǎn)再次發(fā)生短路。這是我們所不希望的，但從保護變頻器的角度來(lái)看只能如此。

    有一種情況是另外，就是有冷卻油循環(huán)的離心風(fēng)機上。如果變頻運轉狀態(tài)下的離心風(fēng)機突然接受油壓油溫等儀控信號，必須立即跳閘，否則容易對風(fēng)機造成損壞，嚴重的甚至造成燒機現象。因此在該類(lèi)型的風(fēng)機變頻自投切轉工頻回路的設計上，考慮當有油壓油溫等儀控信號出現時(shí)，實(shí)行徹底停機或自動(dòng)啟動(dòng)備用風(fēng)機的設計思想。我們采取的設計方案是徹底停機的方案，在工頻自投的合閘回路中串一副儀控信號的常閉接點(diǎn)，當油站正常時(shí)，接點(diǎn)閉合，合閘回路通路；當有儀控信號出現時(shí)接點(diǎn)打開(kāi)，自投切不成功，同時(shí)將信號送PLC后臺進(jìn)行報警顯示。在改造中這一點(diǎn)往往是容易被忽視的。

5）變頻器風(fēng)扇控制電源設計問(wèn)題

    高壓大功率機電設備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進(jìn)行良好的通風(fēng)散熱，但通風(fēng)和防塵又是一對很難解決的矛盾。

    因受環(huán)境的影響較大，需要保持在一個(gè)干燥以及適當溫度的環(huán)境下運行，為此我們在變頻器附近安裝了一臺空調來(lái)保證變頻器的運行環(huán)境。但當變頻器運行在一個(gè)濕度較大的環(huán)境，必須慎重考慮變頻器冷卻系統的電源設計。常規設計采用雙路電源接入，兩路電源能夠實(shí)現自動(dòng)切換功能，當一路電源失電另一路能夠自動(dòng)投切上去，在電源輸出回路同時(shí)加裝一定容量的UPS電源。并在變頻器的操作步驟上，必須明確規定，在變頻器運行前和停運后均必須將風(fēng)冷系統運行10分鐘以上，以避免變頻器內部忽冷忽熱而形成淋露，造成單元的損壞。

6）自動(dòng)投切問(wèn)題

    鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)是連續性，不容許有停機的情況發(fā)生，否則會(huì )造成很大的損失，甚至發(fā)生安全事故，因此為保證所帶電機的連續運轉，應設置自動(dòng)投切功能，在變頻出故障的情況下能自動(dòng)投切至工頻狀態(tài)運行。但自動(dòng)投切不能采用瞬時(shí)投切，而應該躲開(kāi)電動(dòng)機停機后產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢，選擇在電磁衰減基本結束后進(jìn)行投切。這樣可以避免電動(dòng)機定子繞組的電動(dòng)勢和工頻電源電壓疊加，對電機繞組的絕緣造成破壞。

    由電機學(xué)理論我們知道異步電動(dòng)機切斷電源后，存在著(zhù)一個(gè)處于同步發(fā)電機狀態(tài)的電磁過(guò)渡過(guò)程。異步電動(dòng)機切斷電源瞬間，定子繞組的自感電動(dòng)勢將隨著(zhù)磁場(chǎng)的消失而消失；轉子的自感電動(dòng)勢將阻止電流的消失，轉子繞組中的電流將有一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程，同時(shí)轉子電流產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流磁場(chǎng)。我們在實(shí)際調試過(guò)程中，采用模擬試驗的方式來(lái)測定。一般電磁過(guò)渡時(shí)間約為5s。

    電機的工作頻率是由工況決定的，因此變頻器發(fā)生故障時(shí)，究竟在多大頻率下工作是無(wú)法預知的；故障切換為非同步切換，因此不考慮變頻器輸出頻率與工頻電網(wǎng)電壓、頻率和相位之間的關(guān)系。

    因此我們對工頻自投回路中的延時(shí)繼電器整定為7s時(shí)限，經(jīng)過(guò)測試電機均以較小的啟動(dòng)電流熱啟動(dòng)，保障了工藝安全，又保證了電機的安全運行。

    通常自動(dòng)投切的情況大致可為兩種情況，一是變頻器本身故障引起的自動(dòng)投切，另一種是外部電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)電壓波動(dòng)造成變頻器跳閘而引起的自動(dòng)投切。鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)是不能完全避免的，但可以采取相關(guān)技術(shù)措施減少因電壓波動(dòng)帶來(lái)的停機事故的發(fā)生。對高壓斷路器采用低電壓延時(shí)1s動(dòng)作時(shí)限來(lái)設置，對低壓接觸器采用雙路切換的方式，或對低壓接觸器加裝延時(shí)模塊的方式來(lái)解決電壓波動(dòng)引起的跳閘。
    
6．結束語(yǔ)

    變頻改造是一個(gè)系統工程。安裝變頻調速裝置后，風(fēng)機可軟啟軟停，減少設備機械沖擊，延長(cháng)設備使用壽命。由于變頻調速裝置的頻率控制精度為0.1%，因此壓力控制精度大大提高，保護管網(wǎng)安全穩定運行。系統投運一年來(lái)，運行穩定，調節效果顯著(zhù)，節約了大量的電能。經(jīng)過(guò)測算每年可以節約60萬(wàn)元以上的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟效益和社會(huì )利益顯著(zhù)。